摘要:阐述了近年来国内硅酸盐保温涂层研究取得的新进展,总结了国内硅酸盐保温节能涂层研究取得的成果,并对下一步硅酸盐保温节能涂层的发展趋势进行了展望。指出采用新的无机填料如膨胀玻化微珠、陶瓷微珠有望制备出性能优异的硅酸盐保温涂层;纳米复合硅酸盐保温节能涂层的研究有望取得突破性进展;硅酸盐保温节能涂层的研究将向着长寿命、保温效果好、环保及装饰性优异的方向发展。
关键词:硅酸盐;保温涂层;研究进展
1 引 言
硅酸盐保温涂层是节能环保隔热保温材料之一,它由无机硅酸盐骨料和粘结剂两部分组成。由于其具有导热系数低、强度高、耐酸耐碱、适用温度范围广、工艺简单和环保阻燃等优点,被广泛应用于墙体保温、管道保温、冷库保温、陶瓷、玻璃及化工等领域[1-3]。然而,经过长期使用发现,复合硅酸盐保温涂层仍存在着一些尚未解决的问题。主要表现为干燥周期长,施工过程受季节和气候影响大,抗冲击能力弱,与基体的粘结强度低,干燥收缩大,吸湿率大,装饰性差等。其次,其保温节能性能还有待于进一步提高。因此,解决以上问题是硅酸盐保温涂层得以充分利用的前提。
2 研究现状
硅酸盐保温节能涂层主要靠其较低的导热系数和耐高温性能达到隔热保温目的,保温涂层经常用于热室墙体、热工管道和窑炉外壳等,一般而言,根据应用背景对保温节能涂层有如下基本要求。
(1)导热系数小,能够有效阻止热量的传递;
(2)具有一定的耐酸耐碱能力;
(3)不含、不挥发有毒物质,环保性能好;
(4)涂层基体之间有较强的结合能力,不易脱落;
(5)有一定的机械强度,能抵御外界冲击所造成的破坏;
(6)防水,吸湿性小;
(7)耐高低温,能满足一定使用温度要求。
表1为几种常用的保温材料性能比较。从表1可以看出,这几种保温材料的导热系数都比较低,虽然硅酸盐制品的密度较大,但是其适用温度范围比较广,而且硅酸盐材料普遍具有抗老化、耐腐蚀和不燃等优点,具有很大的发展潜力。目前,随着硅酸盐保温涂层的研究取得一定进展,其在很多领域得到了广泛应用。
2. 1 阻隔型保温涂层
硅酸盐保温涂层材料一般是以天然矿物纤维材料、人造硅酸盐纤维材料为主,再辅以填料、助剂和粘结剂等按照一定比例,经过松散、混合和打浆鼓泡而制成的粘稠浆体。使用时,将其涂刷于制品表面,以达到保温效果。阻隔型硅酸盐复合保温涂层结构上是一种固体基质连接的封闭孔网状结构,在保温层内部形成沟状热流,这样可大大减少热流量,降低了涂层的导热系数。常用的保温轻骨料主要有膨胀珍珠岩、膨胀蛭石、海泡石和矿岩棉等。近年来,一些学者对膨胀珍珠岩、膨胀蛭石和海泡石轻质填料进行了深入研究,并取得了新的进展,同时,新的硅酸盐填料也在不断涌现,为制备新型硅酸盐保温涂层提供了新的途径。
2. 1. 1 已有填料的改性
膨胀珍珠岩是常用的无机填料之一,具有质轻、绝热、吸音、无毒、不燃、无臭味、价廉和来源广泛等特点。但膨胀珍珠岩因其表面多孔,在使用到砌筑砂浆和抹灰材料中搅拌时,水分会带着凝聚材料浸入膨胀珍珠岩的空心结构中,填充了其空腔,使材料保温效果有所降低。所以,降低膨胀珍珠岩的吸水率是提高其保温性能的关键。目前,主要通过在膨胀珍珠岩表面包裹和表面改性来降低其吸湿率,达到提高保温性能和延长使用寿命的目的。张巨松等[5]采用有机胶粘剂和发泡剂包裹珍珠岩颗粒,改性开口气孔而形成封闭的多孔颗粒,降低了其吸水能力;另一方面,通过加入防水剂使珍珠岩表面由亲水性变为一定的憎水性,降低了吸水能力。同时,适量引入发泡剂可以有效降低保温制品的导热系数。结果表明,胶粘剂和珍珠岩的最佳比例为1B8,发泡剂的最佳引入量为1.2%,防水剂的最佳加入量为2%。刘宾等[6]采用聚合物干粉对膨胀珍珠岩砂浆进行改性,研究了砂浆的含气体率对其导热系数的影响。结果表明,含气体量越大,其导热系数越小,随着含气量从25%增至60%,保温砂浆的导热系数由0.10W /(m#K)降至0.07W /(m#K)。冯武威等[7]也对膨胀珍珠岩制备轻质矿物复合材料进行了研究,以膨胀珍珠岩为主要原料,以白云质泥岩焙烧熟料作配料,添加少量的偏高岭土或粉煤灰制备了膨胀珍珠岩轻质矿物复合材料,讨论了物料配比、成型压力、粒度级配以及固化反应温度和反应时间等因素对制品性能影响,得出了优化的工艺条件为:固/液(质量比)=2,珍珠岩/熟料(质量比)=3;或固/液(质量比)=2,珍珠岩/熟料(质量比)=4,偏高岭石/熟料(质量比)=0.4,导热系数为0.071W /(m#K)。
蛭石化学成分复杂多变,主要为含水镁铝硅酸盐,膨胀蛭石也经常作为轻质骨料用于硅酸盐保温涂层的制备。膨胀蛭石用于制备保温涂层时,在机械搅拌力和水溶液的作用下,沿层状结构方向会产生剥离,导致结构破坏,对其保温效果有一定程度的影响,采取有效的措施可以防止搅拌对膨胀蛭石结构的破坏,从而提高保温性能。王坚等[8]采用水玻璃为胶粘料,制备了水玻璃膨胀蛭石保温隔热材料,研究了加料方式对制品强度的影响。结果表明,先将水玻璃、氟硅酸钠拌成浆体,再加膨胀蛭石搅拌均匀,可以减少搅拌对膨胀蛭石结构的破坏。海泡石也是一种优良的无机填料,具有极强的吸附、脱色和分散性能。尹辉等[9]采用水浴温度作为热源温度,以试样上表面温度与水浴温度之差作为涂料衡量隔热效果的标准,研究了海泡石显微结构对涂层材料隔热性能影响。结果发现,通过球磨后的海泡石微粉制成的涂料隔热效果最佳,与海泡石矿粉相比,隔热效果提高了4~5e。此外,超声波分散可以打破海泡石纤维的团聚,形成单个纤维的均匀分布,使涂料的隔热效果提高2e。
2. 1. 2 新型填料
目前,研究较多的新型的无机填料主要有膨胀玻化微珠和陶瓷微球。这两种材料具有独特的结构,可以有效降低涂层的导热系数,提高其隔热保温性能。膨胀玻化微珠为不规则球状结构,外壳封闭,但又具有微孔结构。这种特有的外壳能阻止搅拌过程中水进入材料内部;同时,特有的微孔结构能使气体通过,这样就保证了该轻质材料制成的砂浆和抹灰材料的透气性,空气很容易透过骨料进入砂浆和抹灰材料,能够实现材料的快速硬化和干燥。刘伟华等[10]指出了传统砂浆自重大、保温性能差及使用后易裂缝等缺点,介绍了膨胀玻化微珠轻质、绝热、耐高温、耐老化及吸水率低等优点,提出可使用膨胀玻化微珠作为骨料来制备新型无机轻质绝热材料。庞茂等[11]对玻化微珠作为保温绝热材料的形成工艺及性能进行了研究,得出了相似的结论。陈立军等[12]从保温隔热骨料、矿物棉、基料、填料、助剂等方面对建筑保温隔热涂料的组成及建筑保温隔热的形式进行了分析,提出了建筑保温隔热涂料的发展有向着纳米保温涂料和有机聚合物的发展潜力。
此外,Luo等[13]以粉煤灰、水泥和双氧水为初始原料,采用免烧工艺制备了一种新型保温材料,其密度为360 kg/m3,抗压强度为1. 86MPa,导热系数为0. 072W /(m#K),最高使用温度为300e。采用这种免烧工艺,不仅可以变废为宝,而且可以节约能源,制备出抗压强度较高的保温材料。
2. 2 反射型保温涂层
反射型保温涂层的基本原理是通过涂层的反射作用将日光中的红外辐射反射到外部空间,从而避免物体自身因吸收辐射导致的温度升高。反射型保温涂层主要由透明的树脂和反射率高的填料,空心玻璃微珠等组成,由于具有优异的性能,受到研究者的普遍关注。
空心玻璃微珠是用于制备反射型硅酸盐保温涂层的主要填料之一,空心玻璃微珠颗粒呈球形或者近似球形,表面为光滑坚硬、结构致密的玻璃体,对各种液体介质几乎不吸收,能够很好的反射光、热等入射波。由于微珠内部为空心,其密度低、导热系数小、隔热性能好。空心玻璃微珠在涂料中的作用主要有:能够提高涂料的绝热性能并反射部分日光辐射热能,可防止涂膜结构中成膜物质的降解,延长使用寿命;具有高效的填充性,能够减少涂料中基料的使用量;降低涂料施工中有害气体的排出;能够增强涂料的流平性、平滑性,明显改善涂膜的硬度和抗破坏性等机械性能。余丽蓉等[14]采用空心玻璃微珠做填料制备了反射型保温涂层,研究结果表明,改性空心玻璃微珠具有较好的红外反射作用,能有效反射太阳热,而中空结构也有助于降低热传导与热对流。此外,采用金红石型氧化钛、空心玻璃微珠、远红外陶瓷粉和弹性乳液共混,制备了弹性薄层反射涂层,可见光反射率高达91. 5%,近红外反射率为84. 25%,是一种优良的反射型保温隔热涂层材料。倪文等[15]也将空心玻璃微珠作为填料引入到保温涂层中,用空心玻璃微珠填充膨胀硅酸盐颗粒之间的气孔,所得产品室温下导热系数为0. 048W /(m#K),与普通珍珠岩制品相比,导热系数有较大幅度下降,使用温度明显提高。杨鸿斌等[16]利用空心玻璃微珠对硅酸铝保温涂料进行了改性,研究了乳液及填料对涂层反射率的影响,发现空心玻璃微珠的反射率最高,当其含量为35%时,反射率可达77%。
张雯华等[17]用硅酸盐材料制备反射隔热保温涂层,用红外灯距离试样11.5 cm对涂层进行照射30min,通过测量试样温度的变化来反映涂层的保温隔热效果。表明二氧化钛和硅藻土配合使用时保温隔热效果最好,经红外灯照射后温度仅升高6e,而海泡石最高达14e。
2. 3 辐射型保温涂层
通过辐射的形式把物体表面吸收的日照光线和热量以一定的波长发射到空气中,从而达到良好隔热降温效果的涂层称为辐射隔热涂层。辐射涂料所用的材料和其他涂料相似,也包括基体和填料。和其他涂层相比,阻隔型和反射型保温涂层只能减缓而不能阻止热量传递,而辐射型保温涂层是以主动方式阻止热量的传递。目前,辐射型硅酸盐隔热涂层的研究在我国尚处于起步阶段。陆洪彬等[18]以丙乳酸为基料,添加工业堇青石,空心玻璃微珠,钛白粉等原料,制备了复合型外墙隔热涂料。研究结果表明,堇青石对提高涂料隔热效果明显,当堇青石与空心玻璃微珠复合时,所配制的隔热涂料的热反射率可高达91. 67%。冯春霞等[19]以TBH为基料,添加堇青石-过渡金属氧化物红外辐射材料,制备出的隔热涂层反辐射率达73. 2%。
阻隔型、反射型和辐射型保温涂层材料,各有优缺点,目前主要研究利用阻隔型硅酸盐保温涂层,反射型硅酸盐保温涂层研究较少,辐射型尚处于起步阶段。将三种涂层保温机理相互复合,相互弥补,可以开出发导热系数低、近红外高反射、热红外低发射的新材料,例如,开发新型的插层聚合有机-无机复合保温涂层材料、纳米复合硅酸盐保温涂层等,有望在节能保温涂层研究领域取得突破性进展。
3 展 望
通过上述的总结和归纳,可以发现,硅酸盐保温涂层的研究已经取得一定进展,但是,由于社会和工业发展的需求进一步提高,硅酸盐保温涂层仍需要进一步的提高和发展,可以预见,在今后的一定时期内硅酸盐保温涂层将朝着以下方向发展:
(1)现有产品及技术的进一步改造提高。改善产品的装饰性能,提高产品性能,延长使用寿命,扩大品种规格,降低成本,以满足不同用户的需要。
(2)插层聚合有机-无机复合保温涂层及纳米硅酸盐复合保温涂层的研究。将具有隔热和反射辐射功能的单体分子插入层状硅酸盐层状结构中并进行原位聚合,此外,采用纳米材料制备硅酸盐复合保温涂层材料是下一阶段保温涂层发展的研究热点之一,复合技术及纳米技术为保温涂层材料的发展提供了前所未有的发展机遇。
(3)生产复合型多功能保温涂层。从隔热机理上,为了达到更好的隔热保温效果,硅酸盐辐射型和反射型及复合型保温涂料有很好的发展前景。从功能上,硅酸盐保温涂层可以复合隔热、隔音、隔水等功能,使涂料的功能性得到进一步的提高。
(4)注重环保。环保越来越受世界各国的重视,硅酸盐保温涂层在制备过程中应尽量避免接触对环境有害物质。同时,一些工业三废可以用于部分代替制备硅酸盐保温涂层所需的原料,既可以降低成本,又可以减轻工业/三废0对环境带来的污染。
参考文献略
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